IGBT-Module Small IPMs vereinfachen das Design auf der Platine

Jedes Small IPM für 600 und 1200 V Nennspannung enthält sechs IGBTs mit Freilaufdioden. Für die Sicherheit im Betrieb mit Strömen bis 30 A sorgt die integrierte und vielseitige Schutzschaltung.

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Fuji Electric Europe GmbH

Mehr Effizienz, höhere Zuverlässigkeit und minimale Baugröße – diese Anforderungen gelten nicht nur für 3-Phasen-AC-Motoren, sondern auch für ihre Leistungshalbleiter zur Antriebsregelung. Mit beispielsweise den Power-Modulen der V-Serie hat Fuji Electric entsprechende Leistungskomponenten mit integrierten Schutzfunktionen entwickelt. Besonders im kleinen Leistungsbereich bis 2,5 kW ist ihr Einsatz hilfreich bei der Miniaturisierung des Gesamtsystems.

Beispielsweise ist der Antrieb eines 1,5-kW-Motors im Regelfall aus diskreten IGBTs aufgebaut, wobei zur Ansteuerung dieser Leistungsschalter eine separate Leiterplatte eingesetzt wird. Schutzfunktionen sind noch nicht vorhanden und müssen aufwändig auf dem Board hinzugefügt werden.

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Die Herausforderung ist nun, einen Schaltkreis aufzubauen, der möglichst keinen Einfluss auf andere Bauelemente der Leiterplatte hat. Oftmals treten aber unerwünschte Oszillationen auf, deren Ursprung nur schwer zu lokalisieren ist. Mit dem Einsatz eines Small IPM entfällt die aufwändige Schaltungsentwicklung auf der PCB. Das hochintegrierte und mit drei Phasen versehene Small IPM hat umfassende Schutzfunktionen und ermöglicht ein Überwachen der Temperatur des Moduls. Zudem ist eine Schaltlogik zum Ansteuern der Transistoren implementiert, um das optimale Steuern der Halbleiter sicherzustellen.

Ein Small IPM besteht aus sechs IGBTs und sechs Freilaufdioden (FWD – Free-Wheeling Diode), die zusammen einen 3-phasigen Ausgang bilden (Bild 1). Die oberen IGBTs auf der Hochseite des Potenzials werden von drei unabhängigen HVIC (High Voltage Integrated Circuits) geregelt. Aus Sicherheitsgründen sollte eine galvanische Trennung der HVIC auf der externen PCB vorgenommen werden.

Jeder dieser HVIC benötigt eine eigene Versorgungsspannung. Durch implementierte Gleichspannungswandler wird die nötige Gleichspannung bereitgestellt. Bootstrapp-Dioden helfen dabei, die Potenzialänderung am Eingang im gleichen Maße an den HVIC weiter zu geben. Somit wird jede Potenzialänderung oder Potenzialschwankung registriert.

Auf der Niederspannungsseite befinden sich die LVIC (Low Voltage Integrated Circuits), welche mit den IGBTs der Niederspannungsseite verbunden sind. Aufgrund der implementierten ICs ist es möglich, den einzelnen IGBT zu überwachen und zu schützen. Insofern kann in einem Fehlerfall das Modul ein Fehlersignal ausgeben sowie sich anschließend selbst abschalten.

Für den energieeffizienten Einsatz entwickelt

Das Gehäuse des Small IPM misst 43 mm x 26 mm x 3,7 mm (Länge, Breite und Höhe) und wurde maßgeblich für den energieeffizienten und energiesparenden Einsatz entwickelt. Die Verlustwärmeabfuhr ist durch ein spezielles Substrat mit sehr kleinem thermischem Widerstand realisiert. Dieses Metallsubstrat hat eine dielektrische Schicht, die isolierende Eigenschaften aufweist. Auf der Isolationsschicht befindet sich eine Kupferfolie, welche das hohe Potenzial für die Halbleiter führt. Die IGBTs und Freilaufdioden sind über kurze Aluminiumdrähte miteinander verbunden, welches die niedere Potenzialseite repräsentiert. Alle Aluminiumdrähte wurden bewusst so kurz wie möglich gehalten, um die Streuinduktivität im Modul zu minimieren.

Zudem ist die jüngste Chipgeneration von Fuji Electric verbaut, dessen Schaltverluste sowie Durchlassverluste erneut weiter reduziert wurden. Ein Epoxidharz füllt das Small IPM aus und garantiert somit die elektrische Isolation der einzelnen integrierten Schaltkreise. Zusätzlich reduziert dieses steife Material die mechanischen Belastung aufgrund verschiedener thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien.

Trotz bestmöglicher Steuerung der IGBTs durch integrierte Schaltungen kann es zu Fehlern auf der Eingangsseite oder Ausgangseite des Small IPMs kommen. Eingangsseitig muss eine ausreichende Versorgungsspannung für die ICs anliegen. Andererseits werden die Transistoren nicht optimal gesteuert, wodurch die Funktionalität des Moduls beeinflusst und die Last am Ausgang nicht mit der vollen Leistung des Moduls versorgt wird. Sollte es zu dem Fall kommen, dass die Versorgungspannung einbricht, detektiert der IC diesen Fehlerfall und schaltet sich selbst aus, um die Zerstörung des Moduls zu vermeiden.

Aufgrund der ständigen Überwachung des Ausgangsstroms kann die integrierte Schutzschaltung ebenfalls ein Kurzschluss auf der Ausgangsseite sofort wahrnehmen. Entsteht beispielsweise ein Kurzschluss im Motor, so wird dieser erkannt und das Small IPM fährt sich automatisch sicher herunter. Selbiges passiert auch, wenn die Temperatur über einen Schwellwert ansteigt.

Für jede der genannten Schutzfunktion wird beim Eintreten des Fehlerfalls ein Signal an die Schnittstelle des Treiber-Boards gesendet, damit das intelligente IPM sich sicher abschalten kann. Die Funktion des sicheren Abschaltens verhindert die Zerstörung des Moduls und seiner Umgebung.

Nach der Fehlerbehebung ist das Leistungsmodul wieder sofort einsatzbereit. Der Fehlermodus kann anhand der Pulsbreite des Fehlersignals analysiert werden. Es ist somit sehr einfach den Fehlermechanismus zu erkennen sowie zu beheben. Wie anhand der Signalform in Bild 3 dargestellt ist (Diagramme von links nach rechts), repräsentiert die türkisfarbige Linie das Pulssignal des Alarms. Die Pulsbreite beträgt 2 ms für einen Kurzschluss bzw. Überstrom, 4 ms für das Einbrechen der Versorgungsspannung und 8 ms wenn die Temperatur des IGBT zu hoch ist.

* * Daniel Hofmann ist Application Engineer im Power Semiconductor Department bei Fuji Electric, Offenbach.

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